Fotowoltaika
Jak działają panele słoneczne i ogniwa fotowoltaiczne?
Zasada działania paneli fotowoltaicznych polega na tym, że ogniwa fotowoltaiczne, z których złożone są panele zamieniają energię słoneczną w energię elektryczną. W tym celu foton (czyli minimalna jednostka światła) pada na płytkę krzemową, z której zbudowane jest ogniwo fotowoltaiczne. Jednostka światła jest pochłaniana przez krzem i wybija elektron ze swojej pozycji zmuszając go do ruchu. Ten ruch to właśnie przepływ prądu elektrycznego. Dzięki zastosowaniu złącza półprzewodnikowego typu p-n możliwe jest połączenie tego procesu z obiegiem elektronów w sieci energetycznej, w ten sposób energia świetlna zostaje przekształcona w elektryczną.
Panele fotowoltaiczne produkują prąd stały, więc aby korzystać z energii elektrycznej musimy zainstalować falownik (inwerter), który zmieni prąd stały paneli fotowoltaicznych na prąd zmienny (a właściwie, przemienny). Instalacja PV jest dobrym rozwiązaniem ekologicznym ze względu na brak emisji dwutlenku węgla czy siarczanów. Nie produkuje spalin zanieczyszczających środowisko. Inwestując w instalację fotowoltaiczną kończą się problemy z rachunkami za prąd. Korzystanie z instalacji fotowoltaicznej jest całkowicie darmowe i długotrwałe.
Budowa panelu fotowoltaicznego
Budowa typowego modułu fotowoltaicznego została zaprezentowana na poniższym rysunku, przeważnie jest on umieszczany w aluminiowej ochronnej ramie, gdzie uszczelnione hermetycznie hartowane szyby ochronne chronią ogniwa przed wpływem środowiska i uszkodzeniami mechanicznymi. Zestaw ogniw jest dodatkowo umieszczany pomiędzy warstwami folii PET i EVA w celu zapewnienia hermetycznej ochrony. Ogniwa wewnątrz modułu są układane równolegle lub heksagonalnie, a przewody przyłączeniowe są wyprowadzane na zewnątrz .
Rodzaje paneli fotowoltaicznych
Różne typy ogniw fotowoltaicznych mają odmienne właściwości i różną wydajność.
Ogniwa monokrystaliczne
Ogniwa monokrystaliczne najbardziej powszechnie wykorzystywane w domowych instalacjach fotowoltaicznych. Charakteryzują się eleganckim, ciemnym kolorem i jednolitą strukturą. Wykonuje się je ze stopionego piasku krzemowego (z domieszką boru), z którego po oczyszczeniu formowany jest monokryształ w kształcie walca. Walec jest cięty laserem na okrągłe płytki, których boki ścina się, aby uzyskać kształt zbliżony do kwadratu. Sprawność ogniw monokrystalicznych jest największa. Przetwarzają one na prąd elektryczny średnio ok 20% energii pochodzącej ze słońca. Produkcja ogniw monokryształowych jest najdroższa, co przekłada się na wyższą cenę paneli fotowoltaicznych, ale dzięki swojej wysokiej wydajności instalacja zajmuje mniej miejsca na dachu.
Ogniwa polikrystaliczne
Ogniwa polikrystaliczne dzięki mniej skomplikowanej produkcji, są tańsze od ogniw monokrystalicznych. Podczas wytwarzania bloki krzemu łączy się i krystalizuje w jedną bryłę, która następnie cięta jest na „plastry” o kształcie kwadratu lub prostokąta. Polikryształy charakteryzują się niebieskawą barwą (powstałą dzięki nałożeniu warstwy antyrefleksyjnej), z widoczną strukturą krzemu. W porównaniu do monokryształów mają niższą sprawność wynoszącą ok. 16–18%, oraz nieco mniejszą trwałość. Grosze parametry są spowodowane tym, że ruch elektronów pomiędzy połączonymi kryształami nie odbywa się tak swobodnie, jak w przypadku monokryształów. Inna przyczyną spadku wydajności jest niższa czystość kryształów. Mimo że konstrukcje te są coraz lepsze, to pod względem parametrów nadal ustępują monokrystalicznym. Aby uzyskać porównywalna moc, instalacja wymaga większej powierzchni na dachu. Zaletą paneli polikrystalicznych, oprócz korzystnego stosunku ceny do uzysku energetycznego, jest niższy spadek mocy wraz ze wzrostem temperatury pracy. Ponadto, w odróżnieniu od paneli monokrystalicznych, panele polikrystaliczne wyłapują dużo więcej promieniowania odbitego oraz załamanego. Dzięki temu, mimo niższej sprawności, pracują bardziej stabilnie w przeciągu całego roku.
Zasada działania instalacji fotowoltaicznej
Instalacja fotowoltaiczna typu on-grid, która jest podłączona do sieci elektro-energetycznej wymaga stałego napięcia, aby system mógł zadziałać prawidłowo. Energia promieniowania słonecznego wytworzona w modułach fotowoltaicznych jest przekształcana na prąd zmienny przez falownik, następnie w pierwszej kolejności pokrywamy nasze zapotrzebowanie na energię, a nadwyżka energii jest przesyłana do sieci.
W budynku zainstalowany jest licznik dwukierunkowy, który zlicza nadwyżki energii (zgodnie z ustawą o Odnawialnych Źródłach Energii jest on zakładany u nas za darmo przez Operatora Sieci Dystrybucyjnej), które oddawane są do zakładu energetycznego, a następnie w rocznym rozliczeniu możemy je wykorzystać zgodnie z systemem tzw. opustów. Zakład energetyczny pobiera jednak część z odprowadzonej przez nas energii. I tak z każdej kilowatogodziny oddanej do sieci z mikroinstalacji o mocy do 10 kWp możemy odebrać 80%, a z instalacji o mocy powyżej 10 kWp 70%. Najkorzystniejsza jest więc sytuacja, gdy na bieżąco zużywamy wyprodukowaną energię, czyli np. pracujemy w domu lub mamy zamontowane panele w firmie. Zazwyczaj nasza instalacja nie pokrywa w 100% naszego zapotrzebowania w miesiącach zimowych. Kluczem jest więc odpowiedni dobór instalacji ok. 100 – 120% energii wyprodukowanej w stosunku do naszego zapotrzebowania. Wtedy w okresach letnich produkujemy nadwyżki energii, których nie zużyjemy na bieżąco, ale zgodnie z opisaną zasadą będziemy mogli z nich korzystać w okresach, gdzie energia promieniowania słonecznego jest słabsza. Instalacja fotowoltaiczna typu on-grid niestety nie sprawia, że jesteśmy całkowicie niezależni od zakładu energetycznego. Przerwa w dostawie energii po stronie Operatora Sieci Dystrybucyjnej spowoduje wyłączenie się instalacji fotowoltaicznej ze względów bezpieczeństwa, gdyż falownik nie uruchomi instalacji bez prawidłowej synchronizacji z siecią.
Komórki typu half-cut
W panelach z komórkami ciętymi typu half-cut, każde ogniwo jest przecięte na pół, uzyskując postać prostokąta o wymiarach 156x78mm. Cały panel ma więc takich komórek dwa razy więcej, czyli 60-cio komórkowy będzie miał ich 120, a 72 – 144. Z zasady działania paneli PV wiemy, że napięcie na pojedynczej komórce tylko w niewielkim stopniu zależy od jej powierzchni. Im więcej komórek, tym wyższe napięcie na wyjściu z paneli.
Zastosowanie podwójnej liczby komórek bez żadnej zmiany w ich zarządzaniu spowodowałoby więc prawie dwukrotny przyrost napięcia, tym samym problemy w łączeniu paneli w stringi. Pamiętajmy, że napięcie jak i natężenie prądu na wejściu do falownika są ściśle ograniczone. Aby uniknąć tego problemu w panelach z ciętymi ogniwami podzielono cały panel na dwie sekcje dolną i górną, połączone ze sobą pod względem elektrycznym w sposób równoległy. Rozwiązanie takie spowodowało:
- zapewnienie na wyjściu napięcia i natężenia prądu na podobnym poziomie jak w przypadku paneli ze zwykłymi ogniwami
- zredukowanie o połowę strat mocy związanych z rezystancją wewnętrzną modułu
Ten ostatni parametr, zgodnie z zasadami fizyki, jest funkcją oporu i kwadratu natężenia prądu. Im większa powierzchnia pojedynczego ogniwa tym wyższe natężenie prądu przez nie generowane. Przecięcie ogniwa na pół powoduje więc adekwatny spadek natężenia prądu, a co za tym idzie strat mocy. Moduły cięte w warunkach wysokiego nasłonecznienia, przy obniżonym natężeniu prądu płynącego przez ścieżki, mniej się nagrzewają, w wyniku czego całkowita produkcja energii jest w nich wyższa niż w standardowych ogniwach.
To nie jedyne zalety modułów half-cut. Według przeprowadzonych badań, zastosowanie podziału panelu na dwie sekcje, powoduje większą odporność paneli na zacienienie i tym samym mniejszą podatność na powstawianie hot-spots, czyli gorących punktów. Panele z ogniwami typu half-cut mają trzy diody bocznikujące , ale umieszczone centralnie względem wszystkich komórek.
Diody bocznikujące i ich wpływ na wydajność paneli PV
Obecnie dostępne panele fotowoltaiczne posiadają zazwyczaj 3 diody bocznikujące połączone równolegle z łańcuchem 20-24 ogniw. Konsekwencją takiej budowy jest niezależna praca każdego z 3 fragmentów panelu, która nabiera znaczenia w przypadku pojawienie się zacienień. Większa liczba diod jest korzystniejsza pod kątem maksymalizacji uzysku energii z panelu fotowoltaicznego. W przypadku jego punktowego zacienienia wyłączeniu ulega tylko jeden łańcuch a nie cały panel.
Busbary – ścieżki pionowe zbierające ładunki elektryczne
Typowe ogniwa krzemowe, posiadają elektrody przednie wykonane w postaci cienkich ścieżek poziomych (fingers) zbierających ładunki z całej płytki i przekazujących je dalej ścieżkom pionowym połączeniowym (tzw. busbar). Ilość ścieżek pionowych i poziomych wpływa na dwa parametry pracy ogniwa:
- współczynnik wypełnienia FF
- rezystancję szeregową Rs
W praktyce na rezystancję ogniwa wpływa długość drogi jaką musi pokonać ładunek elektryczny w płytce. Wzrost liczby ścieżek pionowych (busbarów) zmienia odległość pomiędzy najdalej wysuniętym punktem ścieżki zbierającej a ścieżką połączeniową. W ogniwach typu 2BB droga ta wynosi 38mm, 3BB – 25mm, a 5BB już tylko 12,5mm (dla ogniwa 6″). W starszych rozwiązaniach ogniw ilość busbarów wynosiła zwykle 2. W najnowszych dochodzi już do 16. Zwiększenie ilości busbarów wpływa nie tylko na wzrost sprawności ogniw, ale także polepsza ich pracę w warunkach zacienienia jak i mikropęknięć, lub uszkodzeń mechanicznych wyłączających w tym wypadku mniejszą powierzchnię ogniwa.
